什么是JTAG及JTAG接口简介(zz)

什么是JTAG及JTAG接口简介

1  JTAG(Joint Test Action Group;联合测试行动小组)是一种国际标准测试协议（IEEE 1149.1兼容），主要用于芯片内 部测试。现在多数的高级器件都支持JTAG协议，如DSP、FPGA器件等。标准的JTAG接口是4线：TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选 择、时钟、数据输入和数据输出线。 
　　JTAG最初是用来对芯片进行测试的，JTAG的基本原理是在器件内部定义一个 TAP（Test Access Port;测试访问口）通过专用的JTAG测试工具对进行内部节点进行测试。JTAG测试允许多个器件通过JTAG接口 串联在一起，形成一个JTAG链，能实现对各个器件分别测试。现在，JTAG接口还常用于实现ISP（In- System Programmable�在线编程），对FLASH等器件进行编程。 
　　JTAG编程方式是在线编程，传统生产流程中先对芯片进行预编程现再装到板上因此而改变，简化的流程为先固定器件到电路板上，再用JTAG编程，从而大大加快工程进度。JTAG接口可对PSD芯片内部的所有部件进行编程

具有JTAG口的芯片都有如下JTAG引脚定义： 
TCK——测试时钟输入；

TDI——测试数据输入，数据通过TDI输入JTAG口；

TDO——测试数据输出，数据通过TDO从JTAG口输出；

TMS——测试模式选择，TMS用来设置JTAG口处于某种特定的测试模式。

可选引脚TRST——测试复位，输入引脚，低电平有效。

含有JTAG口的芯片种类较多，如CPU、DSP、CPLD等。

JTAG内部有一个状态机，称为TAP控制器。TAP控制器的状态机通过TCK和TMS进行状态的改变，实现数据和指令的输入。图1为TAP控制器的状态机框图。

2 JTAG芯片的边界扫描寄存器

JTAG 标准定义了一个串行的移位寄存器。寄存器的每一个单元分配给IC芯片的相应引脚，每一个独立的单元称为BSC（Boundary-Scan Cell）边 界扫描单元。这个串联的BSC在IC内部构成JTAG回路，所有的BSR（Boundary-Scan Register）边界扫描寄存器通过JTAG测 试激活，平时这些引脚保持正常的IC功能。图2为具有JTAG口的IC内部BSR单元与引脚的关系。

3 JTAG在线写Flash的硬件电路设计和与PC的连接方式

以 含JTAG接口的StrongARM SA1110为例，Flash为Intel 28F128J32 16MB容量。SA1110的JTAG的TCK、 TDI、TMS、TDO分别接PC并口的2、3、4、11线上，通过程序将对JTAG口的控制指令和目标代码从PC的并口写入JTAG的BSR中。在设计 PCB时，必须将SA1110的数据线和地址线及控制线与Flash的地线线、数据线和控制线相连。因SA1110的数据线、地址线及控制线的引脚上都有 其相应BSC，只要用JTAG指令将数据、地址及控制信号送到其BSC中，就可通过BSC对应的引脚将信号送给Flash，实现对Flash的操作。 JTAG的系统板设计和连线关系如图3所示。

4 通过使用TAP状态机的指令实行对Flash的操作

通过TCK、TMS的设置，可将JTAG设置为接收指令或数据状态。JTAG常用指令如下：

SAMPLE/PRELOAD——用此指令采样BSC内容或将数据写入BSC单元；

EXTEST——当执行此指令时，BSC的内容通过引脚送到其连接的相应芯片的引脚，我们就是通过这种指令实现在线写Flash的；

BYPASS——此指令将一个一位寄存器轩于BSC的移位回路中，即仅有一个一位寄存器处于TDI和TDO之间。

在PCB电路设计好后，即可用程序先将对JTAG的控制指令，通过TDI送入JTAG控制器的指令寄存器中。再通过TDI将要写Flash的地址、数据及控制线信号入BSR中，并将数据锁存到BSC中，用EXTEST指令通过BSC将写入Flash。

5 软件编程

在 线写Flash的程序用Turbo C编写。程序使用PC的并行口，将程序通过含有JTAG的芯片写入Flash芯片。程序先对PC的并口初始化，对 JTAG口复位和测试，并读Flash，判断是否加锁。如加锁，必须先解锁，方可进行操作。写Flash之前，必须对其先擦除。将JTAG芯片设置在 EXTEST模式，通过PC的并口，将目标文件通过JTAG写入Flash，并在烧写完成后进行校验。程序主流程如图4所示。

通过JTAG的读芯片ID子程序如下：

void id_command(void){

putp(1,0,IP); //Run-Test/Idle;使JTAG复位

putp(1,0,IP); //Run-Test/Idle

putp(1,0,IP); //Run-Test/Idle

putp(1,0,IP); //Run-Test/Idle

putp(1,1,IP);

putp(1,1,IP); //选择指令寄存器

putp(1,0,IP); //捕获指令寄存器

putp(1,0,IP); /移位指令寄存器

putp(0,0,IP); //SA1110JTAG口指令长度5位，IDCODE为01100

putp(1,0,IP);

putp(1,0,IP);

putp(0,0,IP);

putp(0,0,IP);

putp(0,1,IP); //退出指令寄存器

putp(1,1,IP); //更新指令寄存器，执行指令寄存器中的指令

putp(1,0,IP)； //Run-Test/Idle

putp(1,0,IP); //Run-Test/Idle

putp(1,0,IP); //Run-Test/Idle

putp(1,1,IP);

putp(1,0,IP);

if(check_id(SA1110ID))

error_out("failed to read device ID for the SA-1110");

putp(1,1,IP); //退出数据寄存器

putp(1,1,IP); //更新数据寄存器

putp(1,0,IP); //Run-Test/Idle,使JTAG复位

putp(1,0,IP); //Run-Test/Idle

putp(1,0,IP); //Run-Test/Idle

}

6 电路设计和编程中的注意事项

①Flash芯片的WE、CE、OE等控制线必须与SA1110的BSR相连。只有这样，才能通过BSR控制Flash的相应引脚。

②JTAG口与PC并口的连接线要尽量短，原则上不大于15cm。

③Flash在擦写和编程时所需的工作电流较大，在选用系统的供电芯片时，必须加以考虑。

④为提高对Flash的编程速度，尽量使TCK不低于6MHz，可编写烧写Flash程序时实现。

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JTAG的一些说明

通常所说的JTAG大致分两类，一类用于测试芯片的电气特性，检测芯片是否有问题；一类用于Debug；一般支持JTAG的CPU内都包含了这两个模块。
一个含有JTAG Debug接口模块的CPU，只要时钟正常，就可以通过JTAG接口访问CPU的内部寄存器和挂在CPU总线上的设备，如FLASH，RAM，SOC（比如4510B，44Box，AT91M系列）内置模块的寄存器，象UART，Timers，GPIO等等的寄存器。

上面说的只是JTAG接口所具备的能力，要使用这些功能，还需要软件的配合，具体实现的功能则由具体的软件决定。
例 如下载程序到RAM功能。了解SOC的都知道，要使用外接的RAM，需要参照SOC DataSheet的寄存器说明，设置RAM的基地址，总线宽度，访问速度等等。有的SOC则还需要Remap，才能正常工作。运行Firmware时， 这些设置由Firmware的初始化程序完成。但如果使用JTAG接口，相关的寄存器可能还处在上电值，甚至时错误值，RAM不能正常工作，所以下载必然要失败。要正常使用，先要想办法设置RAM。在ADW中，可以在Console窗口通过Let 命令设置，在AXD中可以在Console窗口通过Set命令设置。
下面是一个设置AT91M40800的命令序列，关闭中断，设置CS0-CS3, 并进行Remap，适用于AXD(ADS带的Debug)
setmem 0xfffff124,0xFFFFFFFF,32 －－－关闭所有中断
setmem 0xffe00000,0x0100253d,32 －－－设置CS0
setmem 0xffe00004,0x02002021,32 －－－设置CS1
setmem 0xffe00008,0x0300253d,32 －－－设置CS2
setmem 0xffe0000C,0x0400253d,32 －－－设置CS3
setmem 0xffe00020,1,32 －－－Remap
如果要在ADW（SDT带的DEBUG）中使用，则要改为：
let 0xfffff124=0xFFFFFFFF －－－关闭所有中断
let 0xffe00000=0x0100253d －－－设置CS0
let 0xffe00004=0x02002021 －－－设置CS1
let 0xffe00008=0x0300253d －－－设置CS2
let 0xffe0000C=0x0400253d －－－设置CS3
let 0xffe00020=1 －－－Remap
为了方便使用，可以将上述命令保存为一个文件config.ini, 在Console窗口输入 ob config.ini 即可执行。
使用其他debug，大体类似，只是命令和命令的格式不同。


设 置RAM时，设置的寄存器以及寄存器的值必须和要运行程序的设置一致。一般编译生成的目标文件是ELF格式，或类似的格式，包含有目标码运行地址，运行地 址在Link时候确定。Debug下载程序时根据ELF文件中的地址信息下载程序到指定的地址。如果在把RAM的基地址设置为0x10000000, 而在编译的时候指定Firmware的开始地址在0x02000000, 下载的时候，目标码将被下载到0x02000000，显然下载会失败。

通过JTAG下载程序前应关闭所有中断，这一点和Firmware初始化时关闭中断的原因相同。在使用JTAG接口的时候，各中断的使能未知，尤其是 FLASH里有可执行码的情况，可能会有一些中断被使能。使用JTAG下载完代码，要执行时，有可能因为未完成初始化就产生了中断，导致程序异常。所以，需要先关闭中断，一般通过设置SOC的中断控制寄存器完成。

使用JTAG写Flash。在理论上，通过JTAG可 以访问CPU总线上的所有设备，所以应该可以写FLASH，但是FLASH写入方式和RAM大不相同，需要特殊的命令，而且不同的FLASH擦除，编程命 令不同，而且块的大小，数量也不同，很难提供这一项功能。所以一般Debug不提供写Flash功能，或者仅支持少量几种Flash。

目前就我知道的，针对 ARM，只有FlashPGM这个软件提供写FLASH功能，但使用也非常麻烦。AXD，ADW都不提供写FLASH功能。我写Flash的方法时是，自己写一个简单的程序，专门用于写目标板的FLASH，利用JTAG接口，下载到目标板，再把要烧写的目标码装成BIN格式，也下到目标板（地址和烧 FLASH的程序的地址不同），然后运行已经下载的烧FLASH的程序。使用这种方式，比起FlashPGM的写Flash，速度似乎要快一些。

关于简单JTAG电缆。
目前有各种各样简单JTAG电缆，其实只是一个电平转换，同时还起到保护作用。JTAG的逻辑则由运行在PC上的软件实现，所以在理论上，任何一个简单 JTAG电缆，都可以支持各种应用软件，如Debug等。我就曾使用同一个JTAG电缆写Xilinx ，AXD/ADW调试程序。关键再于软件的支持，大多数软件都不提供设定功能，因而只能支持某种JTAG电缆。

关于简单JTAG电缆的速度。
JTAG 是串行接口，使用打印口的简单JTAG电缆，利用的是打印口的输出带锁存的特点，使用软件通过I/O产生JTAG时序。由JTAG标准决定，通过JTAG 写/读一个字节要一系列的操作，根据我的分析，使用简单JTAG电缆，利用打印口，通过JTAG输出一个字节到目标板，平均需要43个打印口I/O, 在我机器上（P4 1.7G)，每秒大约可进行660K次 I/O 操作，所以下载速度大约在660K/43, 约等于15K Byte/S. 对于其他机器，I/O速度大致相同，一般在600K ~ 800K.

关于如何提高JTAG下载速度。
很明显，使用简单JTAG电缆无法提高速度。要提高速度，大致有两种办法，
1。使用提供JTAG接口，和微机之间通过USB/Ethernet相连，这要求使用MCU。
2。使用/提供JTAG接口，/和微机之间使用EPP接口（一般微机打印口都支持EPP模式），EPP接口完成微机和/之间的数据传输，/完成JTAG时序。

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